基于rs-五號(hào)總線的食用菌集群控制系統(tǒng)的研究

基于rs-五號(hào)總線的食用菌集群控制系統(tǒng)的研究

0涉及雜菌、病蟲(chóng)害生物環(huán)境決定了生物遺傳潛力的行使程度。不合理的環(huán)境會(huì)造成食用菌發(fā)育不良、生長(zhǎng)緩慢、易滋生雜菌、病蟲(chóng)害,嚴(yán)重地影響了食用菌產(chǎn)量、品質(zhì)、色澤,造成減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)食用菌周年均衡生產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目標(biāo),首先要搞清楚環(huán)境因子與食用菌的生長(zhǎng)關(guān)系,然后根據(jù)不同種類的食用菌對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求及其各個(gè)生產(chǎn)階段的特點(diǎn),采取相應(yīng)的環(huán)境控制措施。1食用菌的生長(zhǎng)與栽培條件食用菌中有在特定環(huán)境條件下才能正常地生長(zhǎng)發(fā)育。因此,要食用菌優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),就必須了解其生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境條件的要求,以便根據(jù)各個(gè)生長(zhǎng)階段的特點(diǎn),采取相應(yīng)的栽培措施。影響食用菌生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境因子主要有溫度、濕度、光照、CO2和O2。1.1不同生育期食用菌對(duì)溫度的要求溫度是食用菌生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因素,溫度的高低直接影響著食用菌菌絲的生長(zhǎng)速度和分化,以及子實(shí)體的分化數(shù)量和質(zhì)量。不同種類食用菌以及同種類食用菌在不同生育階段對(duì)溫度的要求不同,如表1所示。根據(jù)種植食用菌的種類及其不同的生長(zhǎng)階段進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。夜晚或冬季氣溫下降,在充分利用溫室本身保溫、蓄溫的情況下,再考慮啟用加熱系統(tǒng)。溫室常用的加熱方式有熱水、蒸汽、熱風(fēng)、電熱等。夏季室外氣溫超過(guò)食用菌適宜生長(zhǎng)溫度,通風(fēng)已無(wú)濟(jì)于事時(shí),則需用濕簾—風(fēng)機(jī)等降溫措施。在溫室的一面山墻上安置風(fēng)機(jī),另一面山墻安裝濕簾,利用集水池、水泵、供口水管路構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)。1.2增濕和排濕的必要性食用菌在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,對(duì)水和空氣的相對(duì)濕度有其特定的需求。不同生長(zhǎng)期對(duì)水分的要求各不相同,營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期水分主要從培養(yǎng)料中吸收,而受空氣濕度影響小;而生殖生長(zhǎng)期不僅從培養(yǎng)料中吸水,空氣濕度的影響也非常大,要求有較高的濕度。培養(yǎng)料的含水量宜控制在63%～65%,若過(guò)高且通風(fēng)量不足,培養(yǎng)料會(huì)發(fā)粘、產(chǎn)生氨氣,導(dǎo)致菌絲窒息和孳生大量雜菌;若太干,菌絲吃料慢,不利出菇。子實(shí)體生長(zhǎng)期要求濕度相對(duì)較高,一般為85%～95%。若相對(duì)濕度超過(guò)95%,菌蓋上長(zhǎng)期留有水滴,使菌蓋表面變褐,極易引起細(xì)菌性斑點(diǎn)病蔓延,影響子實(shí)體質(zhì)量;但相對(duì)濕度低于70%,會(huì)造成菌蓋表面變硬,甚至龜裂;濕度低于50%時(shí),則停止出菇,正在分化的菇蕾則會(huì)枯萎死亡。根據(jù)食用菌生長(zhǎng)需要增濕或排濕。食用菌子實(shí)體生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)水的需求比較大,不僅需要較高的相對(duì)空氣濕度,而且培養(yǎng)基也需要澆水增濕。人工噴水不僅效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,而且霧化不好,均勻性差,難適應(yīng)于高密度和大規(guī)模栽培食用菌的要求。如果在食用菌生產(chǎn)中應(yīng)用現(xiàn)代微噴技術(shù),就可以避免人工噴水的上述缺點(diǎn),同時(shí)還可以提高食用菌的產(chǎn)量和質(zhì)量。微型噴灌增濕是一種比較先進(jìn)的食用菌栽培給水增濕方法。其利用低壓供水系統(tǒng),將水通過(guò)微型噴頭,呈霧狀進(jìn)行噴灑,霧化好,在增加食用菌子實(shí)體濕度的同時(shí),還可以調(diào)節(jié)空氣濕度。濕度過(guò)高時(shí),則啟動(dòng)風(fēng)機(jī),強(qiáng)制通風(fēng)換氣排濕。1.3菌柄長(zhǎng)度和菌蓋寬度的影響食用菌不進(jìn)行光合作用,所以對(duì)光的需求不同于綠色植物,一般不需要直射光,適宜的散射光即可。不同種類或同一種類不同生育階段對(duì)光強(qiáng)度的需求也不相同。光照強(qiáng)度對(duì)食用菌菌絲生長(zhǎng)、出菇及產(chǎn)量、菇形態(tài)特征、色澤等方面均有影響。不同的光強(qiáng)度和光質(zhì)可以顯著地改變菌柄長(zhǎng)度和菌蓋寬度間的比例關(guān)系。例如,在光照不足時(shí),草菇呈灰白色,黑木耳只有在光照強(qiáng)度為300～1000Lx時(shí),才能出現(xiàn)正常的紅褐色;低于這個(gè)光照強(qiáng)度,耳片顏色為灰白或黃褐色,而光線過(guò)強(qiáng)卻起到抑制和傷害作用。香菇光照超過(guò)1000Lx,隨光照強(qiáng)度的增加,轉(zhuǎn)色期延長(zhǎng),質(zhì)量差,污染率提高。平菇則菇體易失水而使菇體縮小,色澤逐漸加深,且分布不均勻,葉片易碎,不耐貯運(yùn),使食用菌的商品價(jià)值大為降低。由于食用菌生長(zhǎng)只需要散射光,所需的光照強(qiáng)度較弱,所以,在日光溫室種植食用菌主要是遮光,避免太陽(yáng)光直射。溫室采用無(wú)紡布、草簾等材料進(jìn)行遮光,通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)卷簾機(jī)構(gòu)使無(wú)紡布、草簾等收起或放下,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光線強(qiáng)弱的調(diào)節(jié)。1.4食用菌生長(zhǎng)對(duì)co濃度變化的敏感性CO2濃度是控制食用菌菌絲生長(zhǎng)的關(guān)鍵環(huán)境因素之一。CO2濃度過(guò)高,會(huì)造成菌柄變長(zhǎng),菌蓋變小,菌柄和菌蓋局部肥大成畸形,甚至窒息而死亡。適于不同菌類菌絲生長(zhǎng)的CO2濃度生物學(xué)指標(biāo)差異很大。所以,在食用菌栽培過(guò)程中應(yīng)考慮不同類型的食用菌菌絲生長(zhǎng)階段對(duì)CO2濃度變化的敏感性問(wèn)題,并根據(jù)其敏感性的強(qiáng)弱采取相應(yīng)的人工調(diào)控措施。食用菌是好氧性菌,其新陳代謝過(guò)程是以有機(jī)物氧化分解進(jìn)行的,即消耗O2,釋放CO2。在溫室這樣一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境中,一般不存在CO2濃度太低的問(wèn)題,只存在其濃度過(guò)高需要降低的問(wèn)題。因此,溫室種植食用菌CO2的調(diào)控實(shí)際就是排除多余的CO2。2蘑菇溫室的監(jiān)計(jì)設(shè)計(jì)2.1現(xiàn)場(chǎng)控制模塊設(shè)計(jì)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)模式主要有:集中控制方式的單片機(jī)控制系統(tǒng)、基于工業(yè)控制機(jī)的溫室控制系統(tǒng)、基于PLC的溫室控制系統(tǒng)、集散型溫室控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場(chǎng)總線型溫室控制系統(tǒng)(FCS)。其中,現(xiàn)場(chǎng)總線型溫室控制系統(tǒng)(FCS)因其控制功能分散化使得風(fēng)險(xiǎn)分散、控制系統(tǒng)開(kāi)放化、全數(shù)字化、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注。但是現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的種類很多,約有40余種[19～21]。目前還沒(méi)有統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),各總線標(biāo)準(zhǔn)采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和介質(zhì)各不相同,不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備需通過(guò)專用的網(wǎng)絡(luò)接口才能互連。這給用戶帶來(lái)了許多不便,并增加了用戶的硬件成本。目前,在溫室測(cè)控系統(tǒng)中,運(yùn)用最多、技術(shù)最成熟的仍是集散型溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由以PC機(jī)或工控機(jī)為上位機(jī)和以單片機(jī)為下位機(jī)組成。但是,這種控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是上、下位機(jī)采用主從集散控制結(jié)構(gòu),上位機(jī)一旦出現(xiàn)故障,將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。從通用性及控制風(fēng)險(xiǎn)分散方面考慮,本文提出采用基于RS-485總線的集散控制系統(tǒng)的控制方案,吸收現(xiàn)場(chǎng)總線控制將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備徹底分散控制的思想,以克服原集散控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)由上位機(jī)、總線、下位機(jī)及其控制的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。上位機(jī)使用普通PC機(jī),下位機(jī)以單片機(jī)為核心,加上傳感器與調(diào)控設(shè)備接口組成的現(xiàn)場(chǎng)控制模塊,結(jié)構(gòu)如圖1所示。PC機(jī)的作用:一是作為專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),存儲(chǔ)有關(guān)食用菌各品種生長(zhǎng)的適宜環(huán)境因子數(shù)據(jù),以及各生長(zhǎng)階段的適宜環(huán)境因子數(shù)據(jù),用作決策依據(jù)。二是對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)控制模塊發(fā)出環(huán)境因子控制的標(biāo)準(zhǔn)值,標(biāo)準(zhǔn)值即食用菌適宜生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù),由食用菌種植專家來(lái)確定,存儲(chǔ)于專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。標(biāo)準(zhǔn)值因食用菌的品種和生長(zhǎng)階段不同而不同,如食用菌子實(shí)體生長(zhǎng)的溫度,香菇、金針菇適宜的溫度為5°～20℃,而草菇、靈芝適宜的溫度為24°～30℃。三是查詢(監(jiān)測(cè))各現(xiàn)場(chǎng)控制模塊的運(yùn)行狀態(tài),接受、存儲(chǔ)并即時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的環(huán)境測(cè)量參數(shù)。四是連接Internet,與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通訊,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)控制模塊包括溫度節(jié)點(diǎn)、濕度節(jié)點(diǎn)、光節(jié)點(diǎn)、CO2節(jié)點(diǎn),分別實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光、CO2濃度等環(huán)境因子的調(diào)控,各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制模塊和PC機(jī)都是掛接在總線上的“平等主體”。它們之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式、廣播方式通信。各現(xiàn)場(chǎng)控制模塊接受來(lái)自PC機(jī)傳送來(lái)(或現(xiàn)場(chǎng)鍵盤錄入)的環(huán)境因子控制設(shè)定值,存入(或修改)其內(nèi)部的設(shè)定值存放單元,然后采集傳感器的輸入,在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成相應(yīng)的控制運(yùn)算并將計(jì)算結(jié)果輸出,對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。各現(xiàn)場(chǎng)控制模塊可以在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成信號(hào)的輸入、運(yùn)算及控制輸出,不必經(jīng)過(guò)總線或PC機(jī),減少總線的負(fù)荷及對(duì)PC機(jī)的依賴。這樣,即使PC機(jī)出現(xiàn)故障也不影響現(xiàn)場(chǎng)控制模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制,從而提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。2.2現(xiàn)場(chǎng)控制模塊每一現(xiàn)場(chǎng)控制模塊作為一功能模塊可以獨(dú)立于上位機(jī),自行對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量并根據(jù)測(cè)量結(jié)果與設(shè)定值比較后采取相應(yīng)的控制措施。為增強(qiáng)獨(dú)立性和可靠性,每一現(xiàn)場(chǎng)控制模塊除應(yīng)具備遠(yuǎn)程修改控制設(shè)定值外,還應(yīng)具備現(xiàn)場(chǎng)修改設(shè)定值、實(shí)時(shí)顯示傳感器測(cè)量值。因此,現(xiàn)場(chǎng)控制模塊功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)控制模塊由單片機(jī)、前向通道(傳感器、變送器、A/D轉(zhuǎn)換)、后向通道(D/A轉(zhuǎn)換,變送器、執(zhí)行器)、現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)接口(鍵盤、LCD)及與上位機(jī)的通訊接口等組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制模塊的單片機(jī)要求能修改控制設(shè)定值,掉電后又不丟失控制設(shè)定值,用Flash型可作現(xiàn)場(chǎng)更新的單片機(jī)比較合適。因此,選用TI公司的MSP430F435型單片機(jī),它屬于MSP430系列單片機(jī),是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器,被設(shè)計(jì)為可用電池工作,而且可以有很長(zhǎng)使用時(shí)間的應(yīng)用。其具有豐富的片內(nèi)外設(shè),低電壓、超低功耗,系統(tǒng)工作穩(wěn)定,方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境。MSP430F435的主要性能參數(shù)如下:16KFLASH程序存儲(chǔ)器;512B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;集成12位ADC;集成160段LCD驅(qū)動(dòng)電路;集成實(shí)時(shí)鐘;集成硬件串行通訊口;工作電壓:1.8～3.6V;功耗:活動(dòng)模式280μA(@1MHZ,2.2V)、待機(jī)模式11μA、掉電模式(RAM數(shù)據(jù)保持)0.1μA。MSP430F435片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換、LCD驅(qū)動(dòng)電路、硬件串行通訊口等外設(shè),減少了外部器件數(shù)目并且降低了系統(tǒng)的整體成本性,這是選擇該芯片的主要原因。3該系統(tǒng)的測(cè)量軟件設(shè)計(jì)3.1現(xiàn)場(chǎng)控制模塊的實(shí)現(xiàn)上位機(jī)測(cè)控程序比較簡(jiǎn)單,主要完成3項(xiàng)功能,即設(shè)定各現(xiàn)場(chǎng)控制模塊環(huán)境控制參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值、檢測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、接受并保存各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。其流程如圖3所示。上位機(jī)測(cè)控程序啟動(dòng)后,一是檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài),包括網(wǎng)絡(luò)及各節(jié)點(diǎn),看是否正常工作,若正常,則根據(jù)專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)始為各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制模塊設(shè)置環(huán)境控制參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值;二是對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)控制模塊循環(huán)逐個(gè)掃描,接受各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器測(cè)得實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)顯示并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù);三是若哪個(gè)節(jié)點(diǎn)出問(wèn)題則發(fā)出警報(bào),同時(shí)繼續(xù)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)掃描并接受數(shù)據(jù)。3.2現(xiàn)場(chǎng)控制模塊的實(shí)現(xiàn)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制模塊的測(cè)控程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn),因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)所有的測(cè)量和控制都由各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制模塊來(lái)完成。各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制模塊的測(cè)控程序都是循環(huán)程序,是在檢測(cè)是否需要修改環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值、環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、控制策略的運(yùn)算、是否發(fā)送控制指令、把現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)等中循環(huán)。其中,修改環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的指令來(lái)自上位機(jī)或者現(xiàn)場(chǎng)小鍵盤的直接錄入;而控制策略運(yùn)算程序是現(xiàn)場(chǎng)控制模塊的核心程序。此外,整個(gè)系統(tǒng)測(cè)控軟件還應(yīng)包括上下位機(jī)的通訊程序設(shè)計(jì),及上位機(jī)與遠(yuǎn)程通訊接口。現(xiàn)場(chǎng)控制模塊控制流程如圖4所示。4面向終身教育的人工環(huán)境及其調(diào)控設(shè)施的研究任何生物都有自己的生長(zhǎng)規(guī)律和對(duì)環(huán)境要求的特殊性,為創(chuàng)造生物適宜的生長(zhǎng)環(huán)境